Appunti sulla genetica

GENETICA

La genetica è la scienza che studia i processi alla base di tutti i fenomeni biologici: i processi vitali, a

partire dalla struttura e dalla funzione cellulare sino alla riproduzione degli organismi, sono condizionati

dall’attività dei geni. Storicamente dell’ereditarietà dei caratteri;

il campo genetico comprese lo ad oggi, si ha

una visione più ampia sulla natura e scoperta del DNA, funzionamento dei geni e della manipolazione del

genoma. avviene all’interno del

Tra i processi principali troviamo: meccanismo di replicazione del DNA (che

l’RNA messaggero una volta

nucleo), la trascrizione da DNA a RNA messaggero, subita la maturazione

viene trasportato all’interno del citoplasma dove avviene infine la traduzione.

Tutte le informazioni ad oggi disponibili sono state ottenute grazie alla possibilità di studiare i modelli

biologici, cioè organismi che sono stati scelti per particolari qualità.

MENDELISMO

Il primo modello biologico scelto da Mendel fu il Pisum sativum: ebbe competenze in ambito vegetale,

quindi, trovò più comodo scegliere un organismo vegetale, sia perché il Pisum sativum ha un tempo di

generazione relativamente breve quindi si potevano fare due generazioni in un anno. Una caratteristica

molto importante dei vegetali è la possibilità di autofecondarsi, inoltre è facilmente reperibile e poco costoso.

Si è spostato poi sul Drosophila melanogaster (moscerino della frutta), che, come vantaggi, ha la durata

del ciclo vitale di 12-15 giorni. Ha anche una grande facilità di allevamento. Passiamo poi ai procarioti, con

l’Escherichia coli (batterio). I procarioti sono organismi con un cromosoma unico e circolare che si

riproducono per scissione, molto funzionali perché hanno un ciclo vitale di 20 minuti. Vennero anche i

Saccharomyces cerevisiae: lieviti che hanno un tempo di generazione di 90 minuti. Hanno cromosoma

eucariote che permette di analizzare anche altri organismi eucarioti. Per gli studi che devono avere

un’applicabilità a livello umano, si utilizza il Mus musculus (topo), che condivide il 90% delle sequenze del

DNA con l’uomo, con un ciclo vitale di 10 settimane.

I requisiti generali per un modello biologico utilizzabile per le ricerche genetiche sono:

- Breve tempo di generazione;

- Prolificità elevata;

- Variabilità genetica facilmente osservabile;

- Relativa complessità del genoma;

- Facilità di allevamento (spazio ridotto, bassi costi).

Vocabolario

• Carattere monogenico: carattere controllato dalla presenza ed espressione di un singolo gene;

• Carattere poligenico: carattere controllato da una serie di geni diversi;

• Gene: porzione di DNA che occupa una specifica posizione su un cromosoma, detta locus;

• Allele: una o più forme alternative di un gene, ognuna con una sequenza nucleotidica ben specifica;

• →

Eterozigote: organismo che possiede due alleli diversi per un determinato locus (Aa) Ibrido

sinonimo di eterozigote;

• Omozigote: organismo che possiede un solo tipo di allele per un locus (AA oppure aa);

• Allele selvatico (o wild type): allele più frequente in una determinata popolazione;

• somma totale dell’informazione genetica contenuta in un organismo;

Genotipo:

• le caratteristiche osservabili in un individuo, risultanti dall’interpretazione tra genotipo ed

Fenotipo:

ambiente in cui avviene lo sviluppo;

MERITI DI MENDEL

Gregor Mendel fu il primo studioso a dare un'impronta scientifica agli esperimenti genetici. Nacque a

Heinzendorf in Boemia nell’attuale Repubblica Ceca nel 1822. Divenne sacerdote nel Monastero agostiniano

all’Università di Vienna

di Brno, studia e nel 1856 inizia gli esperimenti sulle piante di pisello e pubblica i 1

risultati nel 1866 sugli Atti della Società di Storia Naturale di Brno. Nel 1871 assume incarichi amministrativi

suoi esperimenti saranno ripetuti solo all’inizio del 1900.

e muore nel 1884. I Le capacità di Mendel:

• Piano sperimentale ben organizzato, che potesse rispondere meglio alle esigenze, e basato su una

serie di incroci utilizzando come modello sperimentale il Pisum sativum;

• Selezione dei caratteri monogenici in modo tale che il rapporto genotipo-fenotipo fosse più

prevedibile possibile;

• Precisione nella raccolta dei dati;

• Buona elaborazione statistica;

Una caratteristica importante che deriva dalla pianta scelta da Mendel è la proprietà di autofecondazione;

dunque, diventa molto semplice ottenere linee pure, ovvero organismi nei quali è semplice stabilire una

relazione tra genotipo e fenotipo perché è omozigote per il carattere d'interesse.

Ereditarietà per mescolamento: prima di Mendel si pensava che questa fosse la motivazione

dell’ereditarietà dei caratteri (ad esempio un fenotipo bianco e un fenotipo neri danno origine ad un fenotipo

grigio).

Sperimentazioni condotte su Pisum Sativum

Mendel ha osservato e preso in considerazione sette caratteri:

• Colore del seme

• Forma del seme

• Colore del rivestimento del seme

• Posizione del fiore (assiale o terminale)

• Lunghezza del fusto

• Colore del baccello

• Forma del baccello

Senza saperlo, selezionò caratteri monogenici, ossia caratteri controllati da un singolo gene, e questo ha

fatto sì che il risultato tra il gene che controlla il carattere e la risposta finale del fenotipo fosse il più

prevedibile possibile. I geni che codificano i caratteri si trovano nei cromosomi, e la posizione occupata di un

determinato gene si chiama locus genico. La maggior parte degli organismi sono diploidi, perché derivano

dalla fusione di due gameti aploidi, i cui corredi cromosomici sono formati da un singolo cromosoma.

Regola generale: ogni gene è presente in duplice copia in tutti gli organismi diploidi presenti su due

cromosomi omologhi. Gli alleli sono le variazioni nella sequenza del gene; ogni variante prende il nome di

allele.

Si parla di eterozigosi quando la sequenza del gene in un organismo diploide è rappresentata da due

sequenze di DNA che occupano la stessa posizione sullo stesso cromosoma omologo, ma le due sequenze

non sono identiche perché anche solo con la differenza di un nucleotide, si crea un allele diverso che non

può manifestare un carattere diverso.

–

Primo incrocio Legge della Dominanza

Incrocia una linea pura di pisello che produce semi lisci con

un'altra linea pura di piselli con semi rugosi. Incrociando tra loro

individui che differiscono per un solo carattere, si ottengono alla

prima generazione ibridi tutti uguali. Indicando gli alleli con le

lettere dell'alfabeto e precisamente con “A” il carattere dominante

e con “a” il carattere recessivo.

Eccezioni alla Prima Legge di Mendel

1. Dominanza incompleta (es bella di notte): generalmente l'allele

dominante dovrebbe trasmettere il proprio fenotipo coprendo quello

dell'allele recessivo. Nel caso della bella di notte, il figlio dell'eterozigote

presenta una colorazione intermedia tra i due genitori (omozigote rosso

e omozigote bianco). Se accadesse più frequentemente sarebbe

semplice stabilire la relazione fenotipo-genotipo. 2

2. Codominanza: non esiste un allele dominante e uno recessivo che si presentano nel fenotipo. Un

esempio sono i gruppi sanguigni. Partendo dai gruppi sanguigni, la nostra specie si può distinguere

un GRUPPO 0, GRUPPO A, GRUPPO B e GRUPPO AB, che si differenziano per la presenza o

assenza di un antigene presente sulla membrana dei globuli rossi. Se non è presente nessun

antigene, l'individuo sarà omozigote per allele 1° (il gruppo 0 non provoca alcuna produzione di

anticorpi). Gli individui dei gruppi A e B presentano almeno uno dei due alleli che controlla la

presenza di questo antigene sulla membrana e presenta almeno un allele dominante; dunque, questi

individui possono clonare solo a chi fa parte della stessa categoria. Gli individui AB presentano

entrambi gli alleli:

- I0: sempre recessivo, non determina la produzione di nessun antigene;

IA/B: determinano l’antigene A o l’antigene B;

-

- IAIB: codominanza

- Il gruppo AB (ricevitore universale) può ricevere sangue da chiunque perché avendo

entrambi gli antigeni non produrrà degli anticorpi contro di essi.

–

Secondo incrocio Legge della Segregazione

Quando le piante ottenute da semi F erano

1

autofecondate, si produceva una generazione F formata

2

sia da semi rugosi all'interno dello stesso baccello.

Il fenotipo che compare nella F è definito fenotipo

1

dominante, quello che scompare viene detto recessivo.

Alla seconda generazione, ottenuta incrociando tra loro gli

ibridi della prima, gli alleli si segregano in gameti differenti

(Principio della segregazione dei gameti). Mendel non

parlava di alleli, non conoscendo la natura del materiale

genetico che controllava il carattere da lui descritto. Si ottengono 1/4 degli individui con il carattere recessivo

e 3/4 con il carattere dominante. Di questi ultimi 2/3 sono eterozigoti, 1/3 è omozigote. Si definisce fenotipo il

complesso dei caratteri visibili di un individuo; mentre con genotipo si intende la combinazione di alleli

posseduta da un individuo. Da questi incroci si osserva che il fenotipo dominante è espresso sia dagli

omozigoti dominanti sia dagli eterozigoti. Per determinare il genotipo dell'individuo con fenotipo dominante si

ricorre al test-cross (o incrocio di controllo) che utilizza l'omozigote recessivo. Se il genitore con fenotipo

dominante è eterozigote, i discendenti avranno per metà il fenotipo dominante e per metà quello recessivo.

Se invece il genitore con fenotipo dominante è omozigote, i discendenti avranno tutti il fenotipo dominante

–

Caso particolare Anemia falciforme

Per il medico è un tipico caso di dominanza competa perché tutti e due gli alleli sono allo stato recessivo e

determinano la mutazione di questa patologia. A livello citologico abbiamo una dominanza incompleta

perché i globuli rossi presentano una morfologia intermedia tra quella a falce e quella a disco biconcavo dei

soggetti sani. A livello molecolare è un caso di codominanza perché nel soggetto con la patologia vengono

prodotte sia molecole normali sia patologiche.

– Legge dell’Indipendenza dei caratteri & Legge della Segregazione

Prime tre conclusioni

1) Ogni carattere è controllato da fattori unitari presenti in coppie (alleli);

2) Dominanza/recessività: fenotipo espresso = dominante, fenotipo mascherato = recessivo;

3) Segregazione: durante la formazione dei gameti, i fattori unitari presenti in coppie si separano

(segregano) così ciascun gamete riceve l’uno o l’altro andando a ricreare la situazione diploidia.

Incrociando due linee pure nella generazione F apparirà il carattere dominante, mentre nella F si presenta

1 2

anche il carattere recessivo con un rapporto pari circa a 3:1. 3

– dell’Assortimento Indipendente

Terzo incrocio Legge Prende in considerazione la modalità con le quali vengono ereditati due

caratteri diversi (nel caso dell’esperimento il colore e la forma del seme).

Il colore giallo era dominante sul verde e la forma liscia era dominante

su quella rugosa.

La novità è stata quella di analizzare contemporaneamente i due

caratteri.

Incrociando individui che differiscono tra loro per due o più caratteri, ogni

coppia di alleli per ciascun carattere viene ereditata in maniera del tutto

indipendente dall'altra. Si hanno così tutte le possibili combinazioni degli

alleli di ciascuna coppia e la comparsa di individui con caratteri nuovi.

(è lo zigote prodotto dall’incrocio di due

Incrociando tra loro 2 diibridi

caratteri) RrGg, ogni individuo dà origine a 4 tipi di gameti (RG, Rg, rG e

rg) che possono combinarsi in 16 modi diversi.

Mendel partì sempre da linee pure (seme giallo e liscio incrociato con

seme verde e rugoso); nella generazione F compaiono i caratteri

1

donanti, incrociando le F ricompaiono anche i caratteri recessivi: i figli

1

derivanti da questa generazione stanno in un rapporto di: 9 (appaiono

due fenotipi dominanti):3 (un carattere dominante e uno recessivo):3 (un

carattere recessivo e uno dominante):1 (compaiono tutti e due i fenotipi recessivi).

L’esperimento dimostra che caratteri posti su diversi

cromosomi si comportano in modo indipendente nella

Principio dell’assortimento

→

formazione dei gameti

indipendente (terza legge di Mendel).

La vera difficoltà nell’interpretazione di questi dati consiste

nell’avere chiaro come vengono prodotti i gameti da parte di

un ibrido (o doppio eterozigote).

La regola generale è che a partire da un organismo diploide

i gameti prodotti devono contenere una sola copia dei due

alleli. Bisogna quindi stabilire, partendo da un doppio

eterozigote, quali e quante categorie di gameti possono

essere prodotti. A questo punto, la regola da seguire è

quella della segregazione: per ogni carattere ne deve

comparire solo uno dei due alleli, quindi, partendo dal

doppio omozigote dominante, prendiamo il suo primo

carattere che qui è indicato con la lettera S. Secondo la

regola, dobbiamo avere per forza un allele dell’altro

carattere di fianco, infatti nel primo caso abbiamo S con Y,

oppure con l’omozigote recessivo dell’altro carattere y.

L’allele recessivo s potrà a sua volta trovarsi insieme ai due

alleli Y e y. Quindi, un doppio eterozigote può fornire 4 diverse combinazioni (16 totali). In un caso su 16

avremo entrambi i fenotipi recessivi, quindi avremo dei piselli verdi e rugosi.

Calcolo dei rapporti genetici

Prevede che la probabilità che si verifichino due eventi indipendenti è data dal prodotto delle loro probabilità

separate; nel caso del rapporto fenotipico: (3:1) x (3:1) = (9:3:3:1).

Le probabilità o frequenze attese di specifici fenotipi o genotipi si possono calcolare con semplici regole

statistiche.

1. Regola del prodotto: la probabilità che eventi indipendenti si verifichino contemporaneamente è il

prodotto delle probabilità degli eventi singoli. Ad esempio la probabilità di ottenere due 4 lanciando

due dadi è 1/6 x 1/6 = 1/36; 4

l’uno o l’altro di due eventi mutualmente

2. Regola della somma: la probabilità che si realizzino

esclusivi è la somma delle loro probabilità individuali. Ad esempio la probabilità di lanciare due dadi

di fare due 4 o due 5 è 1/36 + 1/36 = 1/18

I rapporti fenotipici di Mendel sono basati su campioni di grande dimensione. In campioni di piccole

dimensioni la deviazione dalla probabilità può essere attribuita al caso. Più è grande la dimensione del

campione più piccola sarà la deviazione.

VALUTAZIONE DEI DATI GENETICI

I rapporti previsti dalle leggi di Mendel sono naturalmente influenzati da eventi casuali: se Mendel avesse

avuto solo 16 progenie, avrebbe trovato un rapporto 9:3:3:1? Così i risultati della segregazione e

dell’assortimento indipendente sono tutti soggetti al caso. Dimensioni grandi del campione riducono l’effetto

del caso: si utilizza un metodo statistico chiamato chi-quadro (popolazione Mendeliana).

Analisi del Chi-Quadro

Il test del chi-quadro verifica se le differenze dal rapporto atteso sono dovute al caso o se sono differenze

reali. stabilire l’ipotesi nulla (H

- Passo 1: ):

o

quest’ipotesi assume che non esista nessuna differenza reale tra i valori osservati e i valori attesi.

Quale sarebbe l’ipotesi nulla in un incrocio monoibrido? E diibrido?

o Monoibrido: il rapporto osservato non è diverso dal rapporto atteso 3:1

o Diibrido: il rapporto osservato non è diverso dal rapporto atteso 9:3:3:1

l’equazione:

- Passo 2:

usiamo l’equazione del chi-quadro per determinare se possiamo accettare l’ipotesi nulla

Noi oppure

se dobbiamo rifiutarla (quindi esisterebbero differenze reali)

dall’equazione, viene inserito in una

Ottenuto il valore del Chi-quadro

tabella che vede una serie di colonne (livelli di probabilità) e righe (gradi di libertà). I gradi di libertà di

un’analisi statistica si calcolano prendendo i dati a disposizione – 1. È presente anche una linea rossa

verticale: tutti i valori che si vanno a collocare a sinistra della linea rossa significa che i valori differenti sono

da attribuire al caso. Qualora il valore del chi-quadro fosse a destra della linea rossa, la differenza è

statisticamente significativa. Alcuni motivi per cui la differenza è significativa:

- Eccezioni alla Legge di Dominanza (dominanza incompleta o codominanza);

- Raccolta imprecisa dei dati;

➔ H : il rapporto misurato non è diverso da quello atteso. Quindi, le deviazioni osservate sono

o

attribuibili al caso. Se i valori osservati hanno una differenza molto grande dai valori attesi, siamo

largamente a destra della linea rossa, quindi lo scostamento è statisticamente significativo.

Eredità mendeliana nell’uomo

La maggior parte dei caratteri nell’uomo sono il risultato di interazioni multiple tra geni e per questo non

mostrano un’ereditarietà semplice di tipo mendeliano. falciforme). Nell’uomo

Alcuni caratteri, tuttavia, sono controllati da singoli geni (es. fibrosi cistica e anemia

non si possono fare incroci pianificati e per questo si studiano individui imparentati che appartengono alla

Attraverso l’albero genealogico si possono fare ipotesi circa il tipo di

stessa famiglia (alberi generalogici).

ereditarietà di un determinato carattere e di calcolare la probabilità che da una fecondazione possano

nascere figli portatori del carattere stesso:

- Caratteri recessivi: si ereditano da genitori eterozig